王俊杰

【摘 要】服務(wù)器CPU優(yōu)化是以提高應(yīng)用程序、服務(wù)或系統(tǒng)能力為目的。那么如何才能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的性能調(diào)優(yōu)呢？這里涉及到很多的內(nèi)容，包括Linux內(nèi)核、CPU架構(gòu)以及內(nèi)核對(duì)資源的分配以及管理。本文從CPU架構(gòu)入手，對(duì)CPU優(yōu)化進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】CPU；性能優(yōu)化；架構(gòu)

一、架構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

在現(xiàn)行計(jì)算機(jī)硬件中，多核CPU或者多顆CPU共存以提高系統(tǒng)性能的性能情況非常常見。

SMP的全稱是"對(duì)稱多處理"（Symmetrical Multi-Processing）技術(shù)，是指在一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。是一種常見的并行技術(shù)。這種架構(gòu)對(duì)內(nèi)存的要求就更高了，也就是說(shuō)，不是CPU數(shù)量越多，性能提升就越快。

NUMA： 非一致性內(nèi)存訪問(wèn)架構(gòu) Non Uniform Memory Access Architecture。概念：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的處理速度比它的主存速度快不少。而在早期的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理中，CPU通常比它的主存慢。但是隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的到來(lái)，處理器和存儲(chǔ)器的性能在二十世紀(jì)六十年代達(dá)到平衡。自從那個(gè)時(shí)候，CPU常常對(duì)數(shù)據(jù)感到饑餓而且必須等待存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)到來(lái)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，很多在80和90年代的超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)專注于提供高速的存儲(chǔ)器訪問(wèn)，使得計(jì)算機(jī)能夠高速地處理其他系統(tǒng)不能處理的大數(shù)據(jù)集。

限制訪問(wèn)存儲(chǔ)器的次數(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)提高性能的要點(diǎn)。對(duì)于商品化的處理器，這意味著設(shè)置數(shù)量不斷增長(zhǎng)的高速緩存和使用不斷變得精巧復(fù)雜的算法以防止“緩存數(shù)據(jù)缺失（cache missed）”。但是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序大小的明顯增長(zhǎng)壓制了前述的緩存技術(shù)造成的提升。沒有使用NUMA的多處理器系統(tǒng)使得問(wèn)題更糟糕。因?yàn)橥粫r(shí)間只能有一個(gè)處理器訪問(wèn)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器，所以在一個(gè)系統(tǒng)中可能存在多個(gè)處理器在等待訪問(wèn)存儲(chǔ)器。

NUMA通過(guò)提供分離的存儲(chǔ)器給各個(gè)處理器，避免當(dāng)多個(gè)處理器訪問(wèn)同一個(gè)存儲(chǔ)器產(chǎn)生的性能損失來(lái)試圖解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于涉及到分散的數(shù)據(jù)的應(yīng)用（在服務(wù)器和類似于服務(wù)器的應(yīng)用中很常見），NUMA可以通過(guò)一個(gè)共享的存儲(chǔ)器提高性能至n倍，而n大約是處理器（或者分離的存儲(chǔ)器）的個(gè)數(shù)。

當(dāng)然，不是所有數(shù)據(jù)都局限于一個(gè)任務(wù)，所以多個(gè)處理器可能需要同一個(gè)數(shù)據(jù)。為了處理這種情況，NUMA系統(tǒng)包含了附加的軟件或者硬件來(lái)移動(dòng)不同存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。這個(gè)操作降低了對(duì)應(yīng)于這些存儲(chǔ)器的處理器的性能，所以總體的速度提升受制于運(yùn)行任務(wù)的特點(diǎn)。

NUMA最初是用于將單一處理器連接到多個(gè)內(nèi)存條中。因?yàn)镃PU 制造商改進(jìn)了其工藝并縮小了芯片尺寸，因此可在一個(gè)包裝中包括多個(gè) CPU核。這些CPU核以集群形式尋址以便每個(gè)核都有相同的訪問(wèn)本地內(nèi)存條的時(shí)間，同時(shí)可在核之間共享緩存。

每個(gè)動(dòng)作都需要通過(guò)多個(gè)內(nèi)存控制器，這樣訪問(wèn)在嘗試訪問(wèn)遠(yuǎn)程內(nèi)存地址時(shí)，時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)兩倍以上。因此多核系統(tǒng)中主要性能考量是保證以最有效的方式進(jìn)行信息傳遞，即通過(guò)最短最迅速的路徑。

二、優(yōu)化方法簡(jiǎn)介

要為優(yōu)化CPU性能配置程序，需要了解：

1、系統(tǒng)的拓?fù)?，?zhí)行程序的核，以及最接近的內(nèi)存條位置。

2、換一句話來(lái)講，如果指定某CPU就之訪問(wèn)自己的內(nèi)存塊，效率將提高。

CPU affinity CPU姻親關(guān)系 CPU綁定

將某些進(jìn)程啟動(dòng)起來(lái)之后直接綁定在某顆CPU上（或某個(gè)CPU的某些核上），讓該進(jìn)程只能在該CPU上運(yùn)行，不會(huì)被調(diào)度到其他CPU上，從而不會(huì)發(fā)生交叉內(nèi)存訪問(wèn)的情況，提高內(nèi)存使用率。但這么做有可能會(huì)使得某一個(gè)CPU很忙而其他的CPU很閑，也會(huì)降低資源的使用率，那么此時(shí)，需要有一個(gè)平衡點(diǎn)。

在numa架構(gòu)中，同一物理內(nèi)存會(huì)被區(qū)分成為多個(gè)node，每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)著一個(gè)專屬的node。

[root@localhost tftpboot]# numastat

node0

numa_hit 2071673

numa_miss 0

numa_foreign 0

interleave_hit 14414

local_node 2071673

other_node 0

numa_hit 表示該段內(nèi)存的數(shù)據(jù)命中總數(shù)；numa_miss表示該段內(nèi)存數(shù)據(jù)未命中總數(shù)；當(dāng)numa_miss出現(xiàn)次數(shù)過(guò)多，這個(gè)時(shí)候需要進(jìn)行進(jìn)程和CPU進(jìn)行綁定。numa_foreign表示當(dāng)前結(jié)點(diǎn)被其他（非本地）cpu訪問(wèn)的次數(shù)，若過(guò)高，可想像為提高本地CPU訪問(wèn)效率，也可進(jìn)行綁定；

CPU隔離：為了讓沒綁定到指定CPU上的進(jìn)程不再被調(diào)度到該CPU上，盡量減少或者隔絕進(jìn)程切換帶來(lái)的系統(tǒng)消耗，從而提高系統(tǒng)效率，把這個(gè)指定的CPU從所有進(jìn)程中能被調(diào)度到的一堆CPU中隔離開來(lái).可以向/etc/grub.conf配置文件中，傳遞內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)：

isolcpus= cpu number，…，cpu number

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，ioslcpu參數(shù)設(shè)定某些CPU隔離之后，內(nèi)核將不會(huì)使已經(jīng)啟動(dòng)了的某些進(jìn)程被調(diào)度到隔離的CPU上，那么這樣做就能夠?qū)⑽覀兯枰綦x的CPU預(yù)留起來(lái)，以供某些特殊進(jìn)程綁定使用。

其他的進(jìn)程不再被調(diào)度到該CPU上，但不經(jīng)過(guò)設(shè)置無(wú)法不處理外設(shè)的中斷請(qǐng)求，此時(shí)，為了讓該CPU要么處理綁定的進(jìn)程，要么只切換到內(nèi)核模式，考慮將該CPU上將中斷處理的功能屏蔽。

應(yīng)該將中斷綁定至那些非隔離的CPU上，從而避免那些隔離的CPU處理中斷進(jìn)程（程序）。

調(diào)度域

將所有CPU放到（組織）一個(gè)所謂的根域下，然后根據(jù)需求，將根域劃分為若干個(gè)子域，不管是根域還是子域，劃分的標(biāo)準(zhǔn)均以cpu本身來(lái)進(jìn)行劃分。

將進(jìn)程和某個(gè)子域進(jìn)行綁定，當(dāng)進(jìn)程與某子域綁定之后，進(jìn)程只能在子域中的CPU內(nèi)進(jìn)行調(diào)度。

若某進(jìn)程綁定的是根域，那么表示該進(jìn)程可在當(dāng)前所有的CPU上進(jìn)行調(diào)度。而對(duì)于進(jìn)程運(yùn)行所需資源而言，除了CPU更關(guān)鍵的就是內(nèi)存了。在非numa結(jié)構(gòu)下，內(nèi)存段對(duì)于所有CPU而言就只有一段，通過(guò)這個(gè)調(diào)度域本身也能簡(jiǎn)單的將內(nèi)存段進(jìn)行管理。

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